"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Газ — одно из состояний вещества, в котором частицы расположены далеко друг от друга и непрерывно движутся. Поэтому газ не сохраняет форму и объём, заполняет весь сосуд и легко сжимается. Удары частиц о стенки создают давление, а нагревание усиливает их движение и обычно приводит к расширению газа. Эти свойства объясняются молекулярно-кинетической теорией — представлением о веществе как о множестве движущихся и взаимодействующих частиц.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Газ — состояние вещества, в котором частицы находятся далеко друг от друга и свободно перемещаются. Поэтому газ не сохраняет собственные форму и объём, а занимает всё доступное пространство. Это определение помогает объяснить поведение воздуха, водяного пара и других газов.
Молекулярно-кинетическая теория — представление о строении вещества, объясняющее свойства газа движением и взаимодействием его частиц. Согласно этой теории, невидимые частицы постоянно движутся и сталкиваются. Она нужна, чтобы объяснять наблюдаемые свойства газа не только описанием, но и причиной.
Давление газа — действие движущихся частиц газа на стенки сосуда при их столкновениях. Каждый отдельный удар очень мал, но огромное число ударов создаёт заметное действие. Это понятие позволяет понять работу шин, насосов и других устройств с газом.
Сжимаемость газа — способность газа значительно уменьшать занимаемый объём при увеличении внешнего давления. При этом сами частицы почти не уменьшаются, а сближаются друг с другом. Понятие сжимаемости объясняет, почему воздух можно закачать в баллон или сжать поршнем.
Газ не сохраняет собственную форму, потому что его частицы не образуют устойчивую структуру, как частицы твёрдого тела. Они свободно перемещаются и меняют направления при столкновениях друг с другом и со стенками. Поэтому газ принимает любую форму сосуда, в который его поместили.
Газ не сохраняет собственный объём и заполняет весь предоставленный сосуд, потому что частицы разлетаются по свободному пространству. Между ними нет прочных связей, удерживающих их рядом. Если увеличить объём сосуда, частицы распространятся и на новую область.
Большие расстояния между частицами объясняют лёгкую сжимаемость газа. При нажатии на поршень частицы не требуется уменьшать: достаточно сократить промежутки между ними. В жидкостях частицы расположены гораздо плотнее, поэтому их объём изменить значительно труднее.
Даже неподвижный снаружи газ внутри непрерывно и беспорядочно движется. Частицы летят в разных направлениях, сталкиваются и изменяют скорость, поэтому общее движение всего газа может отсутствовать. Такое беспорядочное движение называют тепловым и связывают с температурой вещества.
Давление появляется, когда быстрые частицы ударяются о стенки сосуда и передают им часть своего движения. Отдельные столкновения кратковременны, но их происходит очень много. При нагревании частицы движутся быстрее и сильнее раздвигаются, поэтому газ расширяется, если стенки подвижны; при охлаждении движение ослабевает и объём может уменьшиться.
В таблице слева указано свойство, затем его наблюдаемое проявление, а справа — причина на уровне частиц. При чтении полезно двигаться по одной строке и связывать опыт с моделью вещества. Так легче не заучивать свойства отдельно, а видеть их общее объяснение.
| Свойство | Как проявляется | Объяснение с точки зрения строения вещества |
|---|---|---|
| Отсутствие собственной формы | Газ принимает форму сосуда | Частицы свободно перемещаются и не связаны в устойчивую структуру |
| Отсутствие собственного объёма | Газ заполняет весь доступный объём | Частицы разлетаются по всему свободному пространству |
| Сжимаемость | Объём газа можно значительно уменьшить | Между частицами есть большие промежутки |
| Расширение | Газ занимает больший объём при уменьшении внешнего давления | Частицы удаляются друг от друга |
| Давление | Газ действует на стенки сосуда | Движущиеся частицы сталкиваются со стенками |
Задача 1. Объясните, почему воздух в закрытом шприце можно сжать, а воду в таком же шприце — почти нельзя. Нужно сравнить не сами вещества по названию, а расстояния между их частицами.
Ответ: воздух легко сжимается из-за больших промежутков между частицами, а вода почти не сжимается, потому что её частицы расположены плотно.
Задача 2. Объясните, почему запах духов постепенно распространяется по комнате, хотя воздух внешне неподвижен. Здесь нужно учесть движение не только капелек духов, но и невидимых частиц воздуха.
Ответ: запах распространяется благодаря непрерывному беспорядочному движению и столкновениям частиц, поэтому со временем достигает всей комнаты.
Задача 3. Объясните, почему при нагревании воздуха в воздушном шаре шар увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Рассматриваем шар как сосуд с гибкими стенками, которые могут двигаться под действием газа.
Ответ: нагретый воздух расширяет шар, а охлаждённый воздух занимает меньший объём, поэтому шар уменьшается.
Ошибка: считать частицы газа неподвижными, если газ внешне не перемещается. Так происходит из-за смешения общего движения газа с движением отдельных частиц. Проверьте себя: вспомните, что давление и тепловые явления требуют непрерывного движения частиц.
Ошибка: утверждать, что между частицами газа ничего нет. На самом деле основную часть объёма занимают промежутки, а частицы находятся лишь в отдельных малых областях. Проверка проста: именно эти промежутки позволяют газу сильно сжиматься.
Ошибка: путать давление газа с его весом. Вес связан с действием притяжения Земли, а давление газа в сосуде прежде всего возникает из-за ударов частиц о стенки. Спросите себя, сохранилось бы давление в невесомости при движении частиц: да, сохранилось бы.
Ошибка: считать, что при сжатии частицы газа уменьшаются. В основном сокращаются расстояния между ними, тогда как размеры самих частиц почти не меняются. Сверяйте объяснение с моделью: сжатие газа — это уменьшение свободных промежутков.
До изучения газов нужно знать, что все вещества состоят из частиц, частицы движутся и взаимодействуют. Эти представления служат основой молекулярно-кинетической теории. Без них трудно объяснить давление, сжатие и расширение газа.
Тема пригодится при изучении давления, температуры и тепловых явлений. Она также помогает понять работу тепловых машин, где газ расширяется, сжимается и перемещает детали. Свойства газа связывают наблюдения с изменением движения частиц.
Представление о газах используют для объяснения атмосферных явлений, работы насосов и двигателей. Например, насос изменяет объём воздуха и его давление, а двигатель использует расширение газа. Поэтому модель газа встречается во многих физических устройствах.
Почему газ не собирается внизу сосуда, как жидкость?
Частицы газа движутся во всех направлениях и слабо связаны друг с другом. Они разлетаются по всему доступному пространству, поэтому газ заполняет сосуд, а не образует слой только внизу.
Если газ состоит из частиц, почему мы не видим промежутки между ними?
Частицы газа очень малы, а расстояния между ними невозможно различить невооружённым глазом. Мы видим газ как единое целое, хотя большую часть его объёма занимают промежутки.
Почему газ оказывает давление на стенки сосуда?
Беспорядочно движущиеся частицы постоянно сталкиваются со стенками сосуда. При ударах они передают стенкам часть своего движения, и суммарное действие этих ударов проявляется как давление.
Можно ли полностью сжать газ?
В обычных условиях газ можно сжать очень сильно, потому что между его частицами есть большие промежутки. Полностью сжать газ нельзя: частицы имеют собственные размеры, а при очень сильном сближении начинают заметно отталкиваться.
Почему нагретый воздух занимает больший объём?
При нагревании частицы воздуха движутся быстрее и сильнее разлетаются друг от друга. Если сосуд может изменять объём, например воздушный шар, газ расширяется и увеличивает его размеры.
1. Газы
